光纤通信-数字光纤通信系统

第5章数字光纤通信系统

5.1两种传输体制

5.2系统的性能指标

5.3系统的设计

返回主目录第5章数字光纤通信系统

5.1两种传输体制光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术，复用又分为若干等级，因而先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。PDH早在1976年就实现了标准化，目前还大量使用。随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。在技术迅速发展的推动下，美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITUT(原CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。5.1.1准同步数字系列PDH准同步数字系列有两种基础速率：一种是以1.544Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；另一种是以2.048Mb/s为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。表5.1是世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基础速率各次群的速率、话路数及其关系。对于以2.048Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍，这是因为复接时插入了一些相关的比特。对于以1.544Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高，网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算机网络迅速发展，迫切需要建立在世界范围内统一的通信网络。在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。

5.1.2同步数字系列SDH

1.SDH传输网SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构，它由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配，例如将多路E1信号复接成STM1信号及完成其逆过程，或者实现与非SDH网络业务的适配。ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户。然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。图5.1SDH传输网的典型拓扑结构上述TM、ADM和DXC的功能框图分别如图5.2(a)#,(b)#,(c)所示。通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)所示，相应的分层结构如图5.3(b)所示。每个通道(Path)由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接段又由若干个再生段(Section)串接而成。与PDH相比，SDH具有下列特点：(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM1同步复接组成STM4，传输速率为4×155.52Mb/s=622.080Mb/s；16个STM1组成STM16,传输速率为2488.320Mb/s，以此类推。图5.2SDH传输网络络单元(a)终端端复用器TM；(b)分插复用用设备ADM(Add/DropMultiplexer);(c)数字字交叉连接设设备DXC图5.3传传输通道的结结构(a)传输输通道连接模模型；(b)分层结结构(2)SDH各网络单单元的光接口口有严格的标标准规范。因因此，光接接口成为开放放型接口，任任何网络单元元在光纤线路路上可以互连连，不同厂厂家的产品可可以互通，这这有利于建立立世界统一的的通信网络。。另一方面面，标准的光光接口综合进进各种不同的的网络单元，，简化了硬硬件，降低了了网络成本。。有关光接口口标准请参看看本书附录A。(3)在SDH帧结构构中，丰富的的开销比特用用于网络的运运行、维护护和管理，便便于实现性能能监测、故障障检测和定位位、故障报告告等管理功能能。(在后后续章节将进进行介绍。)(4)采用用数字同步复复用技术，其其最小的复用用单位为字节节，不必进进行码速调整整，简化了复复接分接的实实现设备，由由低速信号复复接成高速信信号，或从高高速信号分出出低速信号，，不必逐级进进行。图5.4示示出PDH和SDH分插插信号号流程程的比比较。。在PDH中，，为为了从从140Mb/s码流流中分分出一一个2Mb/s的的支路路信号号，必必须经经过140/34Mb/s,34/8Mb/s和和8/2Mb/s三次次分接接。而而若若采用用SDH分分插复复用器器(ADM)，，可以以利用用软件件一次次直接接分出出和插插入2Mb/s支路路信号号，十十分简简便。。(5)采采用数数字交交叉连连接设设备DXC可以以对各各种端端口速速率进进行可可控的的连接接配置置，对对网络络资源源进行行自动动化的的调度度和管管理，，既提提高了了资源源利用用率，，又增增强了了网络络的抗抗毁性性和可可靠性性。SDH采用用了DXC后，，大大大提高高了网网络的的灵活活性及及对各各种业业务量量变化化的适适应能能力，，使现现代通通信网网络提提高到到一个个崭新新的水水平。。图5.4分分插信信号流流程的的比较较2.SDH帧帧结构构SDH帧结结构是是实现现数字字同步步时分分复用用、保保证网网络可可靠有有效运运行的的关键键。图图5.5给给出SDH帧一一个STMN帧帧有9行，，每行行由270×N个字字节组组成。。这这样每每帧共共有9×270×N个字字节，，每每字节节为8bit。帧帧周周期为为125μμs，即即每每秒传传输8000帧帧。对对于STM1而而言言，传传输速速率为为9××270××8××8000=155.520Mb/s。。字节节发送送顺序序为：：由上上往下下逐行行发送送，每每行先先左后后右。。SDH帧大大体可可分为为三个个部分分：(1)段段开销销(SOH)。。段段开销销是在在SDH帧帧中为为保证证信息息正常常传输输所必必需的的附加加字节节(每每字节节含64kb/s的容容量)，主主要用用于运运行、、维维护和和管理理，如如帧定定位、、误误码检检测、、公公务通通信、、自动动保护护倒换换以及及网管管信息息传输输。图5.5SDH帧的的一般般结构构对于STM1而而言，，SOH共使使用9×8(第第4行行除外外)=72Byte相相应于于576bit。。由于于每秒秒传输输8000帧，，所所以SOH的容容量为为576××8000=4.608Mb/s。。根据图图5.3(a)的传传输通通道连连接模模型，，段开开销又又细分分为再再生段段开销销(SOH)和和复接接段开开销(LOH)。前前者占占前3行，，后者者占5～9行。。(2)信信息载载荷(Payload)。信信息载载荷域域是SDH帧内内用于于承载载各种种业务务信息息的部部分。。对于于STM1而言言，Payload有9×261=2349Byte,相相应应于2349××8××8000=150.336Mb/s的的容容量。。在Payload中中包含少量量字节用于于通道的运运行、维维护和管理理，这些些字节称为为通道开销销(POH)。(3)管管理单元指指针(AUPTR)。管理理单元指针针是一种指指示符，主主要用于于指示Payload第一个个字节在帧帧内的准确确位置(相相对于指针针位置的偏偏移量)。。对于STM1而而言，AUPTR有9个字字节(第4行)，相相应于9×8×8000=0.576Mb/s。采用指针技技术是SDH的创新新，结合虚虚容器(VC)的概概念，解解决了低速速信号复接接成高速信信号时，由由于小的频频率误差所所造成的载载荷相对位位置漂移的的问题。3.复用用原理将低速支路路信号复接接为高速信信号，通常常有两种传传统方法：：正码速速调整法和和固定位置置映射法。。正码速调调整法的优优点是容许许被复接的的支路信号号有较大的的频率误差差；缺点是是复接与分分接相当困困难。固定位置映映射法是让让低速支路路信号在高高速信号帧帧中占用固固定的位置置。这种方方法的优点点是复接和和分接容易易实现，但但由于低速速信号可能能是属于PDH的或或由于SDH网络的的故障，低低速信号与与高速信号号的相对相相位不可能能对准，并并会随时间间而变化。。SDH采采用载荷指指针技术，，结合了上上述两种方方法的优点点，付出的的代价是要要对指针进进行处理。。超大规规模集成电电路的发展展，为实现现指针技术术创造了条条件。图5.6示出载载荷包络与与STM1帧的一一段关系与与指针所起起的作用。。通过指针针的值，接接收端就可可以确定载载荷的起始始位置。ITUT规规定了SDH的一般般复用映射射结构。所所谓映射结结构，是是指把支路路信号适配配装入虚容容器的过程程，其实质质是使支路路信号与传传送的载荷荷同步。图5.6载荷荷包络与SDH帧的的一般关系系这种结构可可以把目前前PDH的的绝大多数数标准速率率信号装入入SDH帧帧。图5.7示出SDH一般般复用映射射结构，图图中Cn是是标准容器器，用来来装载现有有PDH的的各支路信信号，即即C11#,C12#,C2#,C3和C4分别装载1.5Mb/s#,2Mb/s#,6Mb/s#,34Mb/s#,45Mb/s和140Mb/s的支路路信号，并并完成速率率适配处理理的功能。。在标准准容器的基基础上，加加入少量通通道开销(POH)字节，即即组成相应应的虚容器器VC。VC的包络络与网络同同步，但其其内部则可可装载各种种不同容量量和不同格格式的支路路信号。所所以引入虚虚容器的概概念，使得得不必了解解支路信号号的内容，，便可以对对装载不同同支路信号号的VC进进行同步复复用、交叉叉连接和交交换处理，，实现大容容量传输。。图5.7SDH的一般般复用映射射结构由于在传输输过程中，，不能绝对对保证所有有虚容器的的起始相位位始终都能能同步，所所以要在VC的前前面加上管管理单元指指针(AUPTR)，以以进行定位位校准。加加入指针后后组成的信信息单元结结构分为管管理单元(AU)和和支路单元元(TU)。AU由由高阶VC(如VC4)加加AU指针针组成，TU由低低阶VC加加TU指针针组成。TU经均匀匀字节间插插后，组组成支路单单元组(TUG)，，然后组成成AU3或或AU4。。3个AU3或1个个AU4组组成管理单单元组(AUG)，，加上段开开销SOH，便组成成STM1同步传传输信号；；N个STM1信信号按字节节同步复接接，便组组成STMN。最简单的例例子是，由由PDH的的4次群信信号到SDH的STM1的的复接过程程。把139.264Mb/s的信信号装入容容器C4，经速率适适配处理后后，输出信信号速率为为149.760Mb/s;在虚虚容器VC4内加上通道道开销POH(每帧帧9Byte,相相应于0.576Mb/s)后，，输出信号号速率为150.336Mb/s；；在管理单单元AU4内，加加上管理单单元指针AUPTR(每帧帧9Byte,相相应于0.576Mb/s)，输输出信号速速率为150.912Mb/s;由由1个个AUG加加上段开销销SOH(每帧72Byte,相相应于4.608Mb/s),输输出信号速速率为155.520Mb/s,即即为STM1。4.数字字交叉连接接设备数字交叉连连接设备(DXC)相当于一一种自动的的数字电路路配线架。。图5.2表示的的是SDH的DXC(也适合合于PDH)，其核核心部分是是可控的交交叉连接开开关(空分分或时分)矩阵。参参与交叉连连接的基本本电路速率率可以等于于或低于端端口速率，，它取决于于信道容量量分配的基基本单位。。一般每个个输入信号号被分接为为m个并行行支路信号号，然后通通过时分(或空分)交换网络络，按照预预先存放的的交叉连接接图或动态态计算的交交叉连接图图对这些电电路进行重重新编排，，最后将重重新编排后后的信号复复接成高速速信号输出出。通常用DXCX/Y来表示一一个DXC的配置类类型，其中中第一个数数字X表示示输入端口口速率的最最高等级，，第二个数数字Y表示示参与交叉叉连接的最最低速率等等级。数字0表示示64kb/s电电路速率；；数字1、、2、3、、4分别别表示PDH的1至至4次次群的速率率，其中中4也也代表SDH的STM1等等级；数数字5和6分别代代表SDH的STM4和STM１６６等级。例如，DXC1/0表示示输入端口口的最高速速率为一次次群信号的的速率(E1:2.048Mb/s),而交交叉连接的的基本速率率为64kb/s;DXC4/1表示示输入端口口的最高速速率为155.52Mb/s(对于于SDH)或140Mb/s(对于于PDH)，而交叉叉连接的基基本速率为为2.048Mb/s。目目前应用最最广泛的是是DXC1/0、、DXC4/1和和DXC4/4。。交叉连接设设备与交换换机的区别别有：(1)DXC的的输入输出出不是单个个用户话路路，而是是由许多话话路组成的的群路；(2)两两者都能提提供动态的的通道连接接，但连接接变动的时时间尺度是是不同的。。前者按大大量用户的的集合业务务量的变化化及网络的的故障状况况来改变连连接，由网网管系统配配置；后者者按照用户户的呼叫请请求来建立立或改变连连接，由信信令系统实实现呼叫连连接控制。。DXC在在干线传传输网中中的主要要用途是是实现自自动化的的网络配配置管理理。主要要功能有有：分离离本地交交换业务务和非本本地交换换业务，，为非非本地交交换业务务迅速提提供可用用路由；；为临时时性重要要事件(如运动动会、发发生地震震等)迅迅速提供供通信电电路；当当网络发发生故障障(如某某些干线线中断)时，能能迅速提提供网络络的重新新配置；；根据业业务流量量的季节节变化使使网络配配置最佳佳化；当当网络中中混合使使用PDH和SDH时时，可作作为PDH与SDH的的网关。。5.SDH的的应用SDH可可用于点点对点传传输(图图5.8)、链链形网网(图5.9)和环形形网(图图5.10)。。SDH环环形网的的一个突突出优点点是具有有“自愈愈”能力力。当当某节点点发生故故障或光光缆中断断时，仍仍能维持持一定的的通信能能力。所所以，，SDH环网网目前得得到广泛泛的应用用。当然，SDH通过ADM和和DXC等网络络单元可可以构成成更为复复杂的网网形网(如图5.1所示示)。这这种SDH网络络的主要要特点是是端到端端之间存存在一条条以上的的路径，，可同时时构成一一条以上上的传输输通道，，通过DXC的的灵活配配置，使使网络具具有更好好的抗毁毁性和更更高的可可靠性。。图5.8SDH用于点点对点传传输图5.9SDH链形网网图5.10SDH环环形网(双环)5.2系系统统的性能能指标5.2.1参考考模型为进行系系统性能能研究，，ITUT(原原CCITT)建议中中提出了了一个数数字传输输参考模模型，称称为假设设参考连连接(HRX)，见图图5.11。最最长的的HRX是根据据综合业业务数字字网(ISDN)的性性能要求求和64kb/s信信号的全全数字连连接来考考虑的。。假设在在两个用用户之间间的通信信可能要要经过全全部线路路和各种种串联设设备组成成的数字字网，而而且任何何参数的的总性能能逐级分分配后应应符合用用户的要要求。如图5.11所示示，最最长的标标准数字字HRX为27500km,它它由各各级交换换中心和和许多假假设参考考数字链链路(HRDL)组成成。标准准数字HRX的的总性性能指标标按比例例分配给给HRDL，使使系统设设计大大大简化。。图5.11标标准数字字假设参参考连接接HRX建议的HRDL长度为为2500km,但但由于于各国国国土面积积不同，，采用用的HRDL长长度也不不同。例例如我国国采用5000km，美国国和加拿拿大采用用6400km，而而日本本采用2500km。HRDL由由许多假假设参考考数字段段(HRDS)组成(见图5-12所示)，在建建议中用用于长途途传输的的HRDS长度度为280km,用用于市市话中继继的HRDS长长度为50km。我我国用用于长途途传输的的HRDS长度度为420km(一一级干线线)和280km(二级干干线)两两种。假假设参考考数字段段的性能能指标从从假设参参考数字字链路的的指标分分配中得得到，并并再度分分配给线线路和设设备。图5.12假假设设参考数数字段HRDS5.2.2系统统的主要要性能指指标1.误误码率(BER)误码率是是衡量数数字光纤纤通信系系统传输输质量优优劣的非非常重要要的指标标，它反反映了在在数字传传输过程程中信息息受到损损害的程程度。BER是在一一个较长长时间内内的传输输码流中中出现误误码的概概率，它它对话音音影响的的程度取取决于编编码方法法。对于于PCM而言，，误码率率对话音音的影响响程度如如表5.2所所示。。由于误码码率随时时间变化化，用长长时间内内的平均均误码率率来衡量量系统性性能的优优劣，显显然不够够准确。。在实际际监测和和评定中中，应应采用误误码时间间百分数数和误码码秒百分分数的方方法。如如图5.13所示示，规规定一个个较长的的监测时时间TL，例如如几天或或一个月月，并把把这个时时间分为为“可用用时间””和“不不可用时时间”。。图5.13误误码率随随时间的的变化在连续10s时间内内，BER劣于于1×10-3，为“不不可用时时间”，，或称系系统处于于故障状状态；故故障排除除后，在在连续续10s时间间内，BER优优于1××10-3，为“可可用时间间”。对对于64kb/s的的数字字信号，，BER=1×10-3，相应于于每秒有有64个个误码。。同时，，规定一一个较短短的取样样时间T0和误码率率门限值值BERth，，统计BER劣劣于BERth的时间，，并用劣劣化时间间占可用用时间的的百分数数来衡量量系统误误码率性性能的指指标。对对于目目前的电电话业务务，传输输一路PCM电电话的速速率为64kb/s。研研究分析析表明，，合适的的误码率率参数和和假设参参考连接接HRX的误码码率指标标如表5.3所示示。对三种误误码率参参数和指指标说明明如下：：劣化分(DM)误码码率为1×10-6时，感觉觉不到干干扰的影影响，选选为BERth。每次次通话时时间平均均3～5min,选选择取取样时间间T0为1min是是合适的的。监测时间间以较长长为好，，选择TL为1个月。。定义误误码率劣劣于1×10-6的分钟数数为劣化化分(DM)。。HRX指标要要求劣化化分占可可用分(可用时时间减去去严重误误码秒累累积的分分钟数)的百分分数小于于10%。严重重误码秒秒(SES)由由于某某些系统统会出现现短时间间内大误误码率的的情况，，严重影影响通话话质量，，因此引引入严重重误码秒秒这个参参数。选择监测测时间TL为1个月，，取样时时间T0为1s。定定义误码码率劣于于1××10-3的秒钟数数为严重重误码秒秒(SES)。。HRX指标要要求严重重误码秒秒占可用用秒的百百分数小小于0.2%。。误码秒(ES)选择择监测时时间TL为1个个月，取取样时间间T0为为1s，，误码码率门限限值BERth=0。。定义凡凡是出现现误码(即使只只有1bit)的秒秒数称为为误码秒秒(ES)。HRX指指标要求求误码秒秒占可用用秒的百百分数小小于8%。相应应地，不不出现任任何误码码的秒数数称为无无误码秒秒(EFS)，，指标标要求无无误码秒秒占可用用秒的百百分数大大于92%。表5.3列出出的是标准数数字假设参考考连接HRX(27500km)的误码率率总指标。为为了设计需要要，必须把总总指标按不同同等级的电路路质量分配到到各部分。图5.14示示出最长HRX的电路质质量等级划分分，图中高级级和中级之间间没有明显的的界限。我国国长途一级干干线和长途二二级干线都应应视为高级电电路，长途二二级以下和本本地级合并考考虑。表5.4示出出HRX误码码率总指标按按等级的分配配。表5.5的误误码率三项指指标监测时间间为1个月，，在工程验验收时执行存存在一定困难难，通常采用用长期平均误误码率来衡量量，监测时间间为24h。假设误误码为泊松分分布，误码率率三项指标都都可以换算为为长期平均误误码率。根据据原CCITT的建议，，对于25000km高级电路路长期平均误误码率BERav至少为为1×10-7，按长度比例例进行线性折折算，得到每每公里BERav=4××10-12/km。所以以280km和420km数字字段的BERav分别为为1.12××10-9和1.68××10-9，，因此取1×10-9作为标准。图5.14最长HRX的电路路质量等级划划分我国长途光缆缆通信系统进进网要求中规规定：长度短短于420km时，按按1×10-9计算；长度长长于420km时，先先按长度比例例进行折算，，再按长度累累计附加进去去。设计值应应比实际要求求高1个个数量级，即即短于420km数字字段按BERav=1××10-10设计，50km中继段段按BERav=1×10-11设计。2.抖动抖动是数字信信号传输过程程中产生的一一种瞬时不稳稳定现象。抖抖动的定义义是：数字信信号在各有效效瞬时对标准准时间位置的的偏差。偏偏差时间范围围称为抖动幅幅度(JPP)，偏差时时间间隔对时时间的变化率率称为抖动频频率(F)。。这种偏差包包括输入脉冲冲信号在某一一平均位置左左右变化，和和提取时钟信信号在中心位位置左右变化化，见图5.15所示示。图5.15抖动动示意图抖动现象相当当于对数字信信号进行相位位调制，表现现为在稳定的的脉冲图样中中，前沿和后后沿出现某些些低频干扰，，其频率一般般为0～2kHz。抖抖动单位为UI，表示单单位时隙。当当脉冲信号为为二电平NRZ时，1UI等于1bit信息所所占时间，数数值上等于于传输速率fb的倒数。抖动严重时，，使得信号失失真、误码码率增大。完完全消除抖动动是困难的，，因此在实际际工程中，需需要提出容许许最大抖动的的指标。光纤通信系统统各次群输入入口对抖动容容限的要求如如表5.6所示，全程程各次群输出出口对抖动容容限的要求如如表5.7所所示，表中中括号内的数数值是对数字字段的要求。。表5.6和表5.7各符号的的意义如图5.16所所示。图5.16表5.6和表5.7的图解解说明5.2.3可可靠性衡量通信系统统质量的优劣劣除上述性能能指标外，可可靠性也是一一个重要指标标，它直接影影响通信系统统的使用、维维护和经济效效益。对光纤纤通信系统而而言，可靠靠性包括光端端机、中继器器、光缆线线路、辅助设设备和备用系系统的可靠性性。确定可靠性一一般采用故障障统计分析法法，即根据现现场实际调查查结果，统计计足够长时间间内的故障次次数，确定每每两次故障的的时间间隔和和每次故障的的修复时间。。1.可靠性性表示方法(1)可靠靠性R和故障障率φ。可靠靠性是指在规规定的条件和和时间内系统统无故障工作作的概率，它它反映系统完完成规定功能能的能力。可可靠性R通通常用故障率率φ表示，两两者的关系为为R=exp(-φt)(5.1)故障率φ是系系统工作到时时间t，在单单位时间内发发生故障(功功能失效)的的概率。φ的的单位为10-9/h,称为为菲特(fit),1fit等等于在109h内发生一次次故障的概率率。如果通信系统统由n个部件件组成，且故故障率是统计计无关的，则则系统的可可靠性Rs可可表示为Rs=R1×R2×…×Rn=exp(-φst)(5.2)式中,Ri和φi分别为系统第第i个部件的的可靠性和故故障率。(2)故障障率φ和平均均故障间隔时时间MTBF。两者的关关系为(3)可用用率A和失效效率PF。可可用率A是在在规定时间内内，系统处于于良好工作状状态的概率，，它可以表示示为式中MTTR为平均均故障修复时时间(不可用用时间)。失效率PF可可以表示为由式(5.4)和式(5.5)得到到PF=(1-A)×100%(5.6)在有备用系统统的情况下，，失效率为为PF=(5.7)式中m和n分分别为主用系系统数和备用用系统数，P=MTTR/MTBF。2.可靠性性指标根据国家标准准的规定，具具有主备用系系统自动倒换换功能的数字字光缆通信系系统，容许5000km双向全程程每年4次全全阻故障，对对应于420km和280km数字段双向向全程分别约约为每3年1次和每5年年1次全阻故故障。市内数数字光缆通信信系统的假设设参考数字链链路长为100km,容许双向向全程每年4次全阻故障障，对应于50km数数字段双向全全程每半年1次全阻故障障。此外，要要求LD光源源寿命大于10×104h,PINFET寿命命大于50××104h,APD寿命大于50×104h。根据上述标准准，以5000km为为基准，按长长度平均分配配给各种数字字段长度，相相应的全年指指标如表5.8所示，假假设平均故障障修复时间MTTR=6h。某些些国产设备的的可靠性指标标列于表5.9。5.3系统统的设计计对数字光纤通通信系统而言言，系统设计计的主要任务务是，根据据用户对传输输距离和传输输容量(话路路数或比特率率)及其分布布的要求，按按照国家相关关的技术标准准和当前设备备的技术水平平，经过综合合考虑和反复复计算，选择择最佳路由和和局站设置、、传输体制制和传输速率率以及光纤光光缆和光端机机的基本参数数和性能指标标，以使系统统的实施达到到最佳的性能能价格比。在技术上，系系统设计的主主要问题是确确定中继距离离，尤其对长长途光纤通信信系统，中继继距离设计是是否合理，对对系统的性能能和经济效益益影响很大。。中继距离的设设计有三种方方法：最坏情情况法(参数数完全已知)、统计法法(所有参数数都是统计定定义)和半统统计法(只有有某些参数是是统计定义)。这里我们们采用最坏情情况设计法，，用这种方方法得到的结结果，设计的的可靠性为100%，但但要牺牲可能能达到的最大大长度。中中继距距离受光纤线线路损耗和色色散(带宽)的限制，明明显随传输速速率的增加而而减小。中继继距离和传输输速率反映着着光纤通信系系统的技术水水平。5.3.1中中继距离受损损耗的限制图5.17示示出了无中继继器和中间有有一个中继器器的数字光纤纤线路系统的的示意图，图图中符号：T′,T:光端机和和数字复接分分接设备的接接口；Tx:光发发射机或中继继器发射端；；Rx:光接接收机或中继继器接收端；；C1,C2:光纤连连接器；S:靠近近Tx的连连接器C1的接收端；；R:靠近近Rx的连连接器C2的发射端；；SR:光光纤线路，，包括接头头。图5.17数字光纤纤线路系统统(a)无中继继器；(b)一一个中继器器如果系统传传输速率较较低，光纤纤损耗系数数较大，中中继距离主主要受光纤纤线路损耗耗的限制。。在这种情情况下，要要求S和R两点之间间光纤线路路总损耗必必须不超过过系统的总总功率衰减减，即L(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me或L≤式中，Pt为平均均发射光功功率(dBm)，Pr为接收收灵敏度(dBm)，αc为为连接器器损耗(dB/对)，Me为系统统余量(dB)，ααf为光纤纤损耗系数数(dB/km),αs为为每km光光纤平均接接头损耗(dB/km),ααm为每每km光纤纤线路损耗耗余量(dB/km),L为中继继距离(km)。。式(5.8)的计算算是简单的的，式中参参数的取值值应根据产产品技术水水平和系统统设计需要要来确定。。平均发射射光功率Pt取决于所用用光源，对对单模光纤纤通信系统统，LD的的平均发射射光功率一一般为-3～-9dBm,LED平平均发射光光功率一般般为-20～-25dBm。光接收收机灵敏度度Pr取决决于光检测测器和前置置放大器的的类型，并并受误码码率的限制制，随传输输速率而变变化。表5.10示示出长途光光纤通信系系统BERav≤1×10-10时的接收灵灵敏度Pr。连接器损耗耗一般为0.3～1dB/对。设备备余量Me包括由于于时间和环环境的变化化而引起的的发射光功功率和接收收灵敏度下下降，以以及设备内内光纤连接接器性能劣劣化，Me一般不小小于3dB。光纤损耗系系数αf取决于光纤纤类型和工工作波长，，例如单模模光纤在1310nm,ααf为0.4～0.45dB/km;在在1550nm,αf为为0.22～0.25dB/km。。光纤损耗耗余量αm一般为0.1～0.2dB/km,但一一个中继段段总余量不不超过5dB。平平均接头头损耗可取取0.05dB/个，每千千米光纤平平均接头损损耗αs可可根据光缆缆生产长度度计算得到到。根据ITUT(原原CCITT)G.955建建议，用LD作光源源的常规单单模光纤(G.652)系统统，在S和和R之间数数字光纤线线路的容限限如表5.11所所示。5.3.2中继距离离受色散(带宽)的的限制如果系统的的传输速率率较高，光光纤线路色色散较大，，中继距距离主要受受色散(带带宽)的限限制。为使使光接收机机灵敏度不不受损伤，，保证系系统正常工工作，必须须对光纤线线路总色散散(总带宽宽)进行规规范。我我们要讨论论的问题是是，对于一一个传输速速率已知的的数字光纤纤线路系统统，允许的的线路总色色散是多少少，并据据此计算中中继距离。。对于数字光光纤线路系系统而言，，色散增大大，意味着着数字脉冲冲展宽增加加，因而在在接收端要要发生码间间干扰，使使接收灵敏敏度降低，，或误码码率增大。。严重时甚甚至无法通通过均衡来来补偿，使使系统失去去设计的性性能。设传输速率率为fb=1/T，，发射脉冲冲为半占空空归零(RZ)码，输输出脉冲为为高斯波形形，如图5.18所所示。高高斯波形可可以表示为为g(t)=exp(5.9)式中σ为均均方根(rms)脉脉冲宽度。。把σ/T=a定义义为相对rms脉脉冲宽度，，码间干扰扰δ的定义义如图5.18所示示。由式(5.9)和图5.18得到到由式(5.10)得得到a和δδ的数值关关系，并并列于表5.12。。图5.18高高斯波形形的码间干干扰美国Bell实验室室S.D.Personick的早期期研究中，，曾建议采采用下列标标准来考查查光纤线路路色散对系系统传输性性能的限制制。当a=0.25时，，码间干扰扰δ只有峰峰值的0.034%，完完全可以以忽略不计计。当a=0.5时时，δ增加加到13.5%，此此时功率代代价为7～～8dB，，难以通过过均衡进行行补偿。一一般系统设设计选取a=0.25～0.35，功功率代价不不超过2dB。为确定中继继距离和光光纤线路色色散(带宽宽)的关系系，把输输出脉冲用用半高全宽宽度(FWHM)ττ表示，即即式中,ττ=σ/0.4247,σσ=aT,a为相相对rms脉冲宽度，，T=1/fb，fb为系统的比比特传输速速率。Δττf为光纤纤线路(FWHM)脉冲展宽宽，取决于于所用光纤纤类型和色色散特性。。对于多模光光纤系统，，色散特性性通常用3dB带宽宽表示，如如式(2.47b)所示。因因此，Δττf=0.44/B,B为为长度等于于L的光纤纤线路总带带宽，它与与单位长度度光纤带宽宽的关系为为B=B1/Lγ。。B1为1km光纤的的带宽，通通常由测试试确定。γγ=0.5～1,称称为串接接因子，取取决于系系统工作波波长，光纤纤类型和线线路长度。。把这些关关系代入式式(5.11)，并并取a=0.25～～0.35，得到光光纤线路总总带宽B和和速率fb的关系为B=(0.83～0.56)fb(5.12)中继距离L与1km光纤带宽宽B1的关关系为B1=BLγγ,所以以L=［［（1.21～1.78）ＢＢ1/fb］1/γ(5.13)或写成Lγfb=(1.21～1.78)B1(5.14)以fb为参数，B1与L的关系系示于图5.19,图中取取σ/T=0.3，，γ=0.75。。由此可见见，中继距距离L与传传输速率fb的乘积取决决于1km光纤纤的带宽(色散)，，这个乘积积反映了光光纤通信系系统的技术术水平。图5.191km光光纤带宽B1与中继继距离L的的关系对于单模光光纤系统，，Δτf=2.355σf,σf为光纤线路路rms脉脉冲展宽。。由式(2.55b)取一级级近似，得得到σf=|C0|σλL,C0=C(λ0)为在光源源中心波长长λ0光纤的色散散(ps/(nm··km))，σλ为光源谱线线宽度(nm)，L为光纤线线路长度(km)。。把这些关关系式代入入式(5.11)，，同样得到到一个简明明的公式。。设取a=σ/T=0.25，得到到中继距离离L=在这个基础础上，根据据原CCITT建议议，对于实实际的单模模光纤通信信系统，受受色散限制制的中继距距离L可以以表示为式中,Fb是线路码速速率(Mb/s)，，与系统比比特速率不不同，它要要随线路码码型的不同同而有所变变化。C0是光纤的色色散系数(ps/(nm··km))，它取决决于工作波波长附近的的光纤色散散特性。σσλ为光源谱线线宽度(nm)，对对多纵模激激光器(MLMLD)，为为rms宽宽度，对单单纵模激光光器(SLMLD),为峰峰值下降20dB的宽度。。ε是是与功率代代价和光源源特性有关关的参数，，对于MLMLD,ε=0.115,对于于SLMLD，ε=0.306。由于光纤制制造工艺的的偏差，光光纤的零色色散波长不不会全部等等于标称波波长值，而而是分布在在一定的波波长范围内内；同样，，光源的峰峰值波长也也是分配在在一定波长长范围内，，并不总是是和光纤的的零色散波波长度相重重合。对于于G.652规范的的单模光纤纤，波长为为1285～1330nm，色散系系数C不得得超过±3.5ps/(nm·km))，波波长为1270～1340nm,C不得超超过6ps/(nm·km)。S和和R两点之之间最大色色散CL(ps/nm)的容容限如表5.11所所示。由表表可知，在在140Mb/s以上的单单模光纤通通信系统中中，色散的的限制是不不可忽视的的。5.3.3中中继继距距离离和和传传输输速速率率光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离受受损损耗耗限限制制时时由由式式(5.8)确确定定；；中中继继距距离离受受色色散散限限制制时时由由式式(5.13)(多多模模光光纤纤)和和式式(5.15)或或式式(5.16)(单单模模光光纤纤)确确定定。。从从损损耗耗限限制制和和色色散散限限制制两两个个计计算算结结果果中中，，选选取取较较短短的的距距离离，，作作为为中中继继距距离离计计算算的的最最终终结结果果。。以140Mb/s单单模模光光纤纤通通信信系系统统为为例例计计算算中中继继距距离离。。设设系系统统平平均均发发射射功功率率Pt=-3dBm,接接收收灵灵敏敏度度Pr=-42dBm，，设设备备余余量量Me=3dB，，连连接接器器损损耗耗ααc=0.3dB/对对，，光光纤纤损损耗耗系系数数ααf=0.35dB/km,光光纤纤余余量量ααm=0.1dB/km，，每每km光光纤纤平平均均接接头头损损耗耗ααs=0.03dB/km。。把把这这些些数数据据代代入入式式(5.8)，，得得到到中中继继距距离离又设设线线路路码码型型为为5B6B,线线路路码码速速率率ＦＦb=140××(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm··km)，，σ